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智能体重仪设计方案书一．背景电子体重秤是一种智能型体重测量仪器，与传统指针式体重计相比，具有测量精度高、可锁定显示、读数方便等优点。其主要应用于体质健康测试中人体体重数据的测量，面向体育、医卫、劳动、学校等单位开展全民健身活动使用，是学生体质健康测试必备仪器之一。现在市场上大部分电子体重秤主要有以下几种，一种是功能仅限于称体重并且显示体重读数的电子体重秤，另一种不仅能测量体重还能测量身体的脂肪率、肌肉率、内脏脂肪、基础代谢、水分率、蛋白质、骨量、BMI等身体数据。大部分后一种电子体重秤还能将测得的数据无线传输到手机中，然后利用APP进行数据分析并给出直观的各项身体数据变化趋势图。而经过讨论，我们本次准备设计一个和后一种类似的可检测身体健康状况的智能体重仪，功能基本和市场上已有的电子体重秤类似。二．总体目标当被测者站在智能体重仪上时，体重仪显示屏显示被测者的当前体重和身高，同时体重仪还能精准测量身体体质数据，再将这些测得的数据无线传输到手机APP中，被测者在使用APP时先将年龄、性别、腰围、胸围、臀围、腿围等个人信息输入进去，APP结合这些数据分析被测者的健康状况，并且显示健康状况趋势分析图表，并且给出被测者合理的健康管理建议。三．功能、技术参数的制定与分析1.体重显示功能当被测者站在体重仪上，其重量传递到称重传感器上，传感器产生相应的电信号，此信号由放大电路进行放大、经滤波后再由A/D转换器转换成数字信号送到单片机中，单片机根据程序进行运算，运算结果送到显示器显示出来。2.身高显示功能当被测者头顶上方顶着挡板站在体重仪上，体重仪上的测距传感器能测出被测者相应的身高，单片机再通过显示屏将身高数据显示出来。3.体质测试功能通过BIA生物电阻抗法分析被测者的体质，可以测出人体相应的阻抗，根据测出的阻抗可以算出脂肪率、肌肉率、内脏脂肪、基础代谢、水分率、蛋白质、骨量、BMI等体质数据。BIA法以统计学为工具，通过研究人体相应部位的不同频率的阻抗值与一些人体成分参数的相关性，结合人体体重、年龄、性别等基本参数，建立相应阻抗与相应人体成分的经验公式，并通过已知人体成分推算未知人体成分。主要通过给电极施加安全电流作用在人体上，然后又通过电极检测人体相应部位的电压，经过数据采集、计算得到人体相应阻抗值，然后传给上位机完成人体成分计算。（全身体脂数据的测量准确的条件应当是令实验电流尽可能的通过人体的最大路径，因为电流走短不走长，所以测量体脂时，电极应分别位于手和脚。）具体的阻抗与人体成分之间的计算公式如下：身体水分总量TBWTBW=1.396+(0.597*身高（cm)*身高/阻抗（欧姆））+0.099*体重（kg)-0.009*年龄体脂肪BF多元线性逐步回归和方差分析方法BF=0.846*体重（kg)-0.185*身高*身高（cm)/阻抗（欧姆）-2.361*性别（男1女0）-24.977身高质量指数BMI：体重/（身高*身高（米））理想体重：22*身高（米）*身高（米）或身高（cm)-105脂肪含量：（1.2*BMI)+（0.23*年龄）-（10.8*性别）-5.4数值范围4%--60%性别数值：男性为1，女性为04.数据无线传输功能体重仪获取的体重等身体数据通过蓝牙或WIFI无线模块传送到手机APP中。5.自动开机功能当被测者站上体重仪时，体重仪检测到振动信号，立即触发体重仪自动开机，并且进入称重模式。6.自动休眠校零功能当被测者离开体重仪时，单片机检测到体重为零时，体重仪自动进入关机状态，且对体重仪进行自动校零。7.匹配手机APP数据分析功能体重仪检测到的身体各项数据无线传输到手机APP中之后，APP对这些数据进行分析，并且与之前测得的身体数据进行比较，得出被测者的各项身体数据变化趋势图表，并且对被测者给出合理的健康管理建议。8.量程/分度值量程：10-100kg分度值：0.1kg四．总体控制系统方案设计当被测者站在体重仪上时，其重量传递到称重传感器上，传感器产生相应的电信号，此信号由放大电路进行放大、经滤波后再由A/D转换器转换成数字信号送到单片机中，单片机根据程序进行运算，运算结果送到显示器显示出来；同时利用测距模块测量被测者身高，并通过体重仪上的显示屏显示出来并将身高数据无线传输至手机APP中；人体阻抗测量电路通过电极施加安全电流作用在人体上，然后又通过电极检测人体相应部位的电压，经过数据采集、计算得到人体相应阻抗值，然后无线传输给APP完成人体成分计算；所有体质分析仪获取的身高、体重、脂肪率、肌肉率等身体数据通过蓝牙或WIFI无线模块传送到手机APP中。控制系统总体框图如下图1所示。图1控制系统总体框图五．关键部件的选型设计根据上述控制系统设计方案，智能体重仪将主要由以下关键部件构成，包括称重模块，AD转换模块，测距模块，无线通信模块，显示模块，人体阻抗测量电路，主控制器及电源模块。1.称重传感器（1）选型比较体重传感器就是把非电量的人体体重转换成电量的转换元件。称重传感器按照结构型式不同位移传感器和应变传感器。综合价格、性能、要求等条件，设计采用4片YZC-161B-50kg体重传感器。YZC-161B使用简单方便，价格便宜而且性能稳定，单片传感器的测量量程为50kg，4片分力量程可以达到200kg，满足设计要求。图2人体称重传感器图3传感器结构图4受力分析两端受到一对大小相等的剪切力，由对称性可知，构件以中心点为平衡点产生形变。应变片会产生相应的应变，转化成电阻变化。称重传感器的技术参数如下表：表1称重传感器技术参数应用Application电子秤型号ModelYZC-160B量程CapacityKg50输出灵敏度RatedoutputmV/V1.00.1输入阻抗InputresistanceΩ201000输出阻抗OutputresistanceΩ201000推荐激励电压RecommendedexcitationvoltageV5V工作温度范围Operationtemperaturerange℃65~20传感器材料Loadcellmaterial合金钢Alloysteel接线方式Methodofconnectingwire红、黑、白满量程输出电压=激励电压*灵敏度，设计中激励电压为5V，传感器的灵敏度为1.0mV/V,所以满量程输出电压为：mV0.50.15。对于传感器的连接方式，设计中采用4个传感器，4个传感器组成全桥测量，量程为4只传感器的量程之和：kgkg200450。全桥测量电路如图所示:图5全桥测量电路及其接线图2.A/D转换模块（1）选型比较HX711是一款专为高精度称重传感器而设计的24位A/D转换器芯片。与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。该芯片与后端MCU芯片的接口和编程非常简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。输入选择开关可任意选取通道A或通道B，与其内部的低噪声可编程放大器相连。通道A的可编程增益为128或64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为±20mV或±40mV。通道B则为固定的32增益，用于系统参数检测。芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的A/D转换器提供电源，系统板上无需另外的模拟电源。芯片内的时钟振荡器不需要任何外接器件。上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。HX711模块引脚图如下图所示：图6HX711模块引脚图表2HX711模块引脚含义HX711模块的特点：两路可选择差分输入片内低噪声可编程放大器，可选增益为64和128片内稳压电路可直接向外部传感器和芯片内A/D转换器提供电源片内时钟振荡器无需任何外接器件，必要时也可使用外接晶振或时钟上电自动复位电路简单的数字控制和串口通讯：所有控制由管脚输入，芯片内寄存器无需编程可选择10Hz或80Hz的输出数据速率同步抑制50Hz和60Hz的电源干扰耗电量（含稳压电源电路）：典型工作电流：1.7mA,断电电流：1μA工作电压范围：2.6~5.5V工作温度范围：-20~+85℃（2）功能实现A.模拟输入通道A模拟差分输入可直接与桥式传感器的差分输出相接。由于桥式传感器输出的信号较小，为了充分利用A/D转换器的输入动态范围，该通道的可编程增益较大，为128或64。这些增益所对应的满量程差分输入电压分别±20mV或±40mV。通道B为固定的32增益，所对应的满量程差分输入电压为±80mV。通道B应用于包括电池在内的系统参数检测。B.供电电源数字电源(DVDD)应使用与MCU芯片相同的的数字供电电源。HX711芯片内的稳压电路可同时向A/D转换器和外部传感器提供模拟电源。稳压电源的供电电压(VSUP)可与数字电源(DVDD)相同。稳压电源的输出电压值（VAVDD）由外部分压电阻R1、R2和芯片的输出参考电压VBG决定（图1），VAVDD=VBG(R1+R2)/R2。应选择该输出电压比稳压电源的输入电压(VSUP)低至少100mV。如果不使用芯片内的稳压电路，管脚VSUP和管脚AVDD应相连，并接到电压为2.6～5.5V的低噪声模拟电源。管脚VBG上不需要外接电容，管脚VFB应接地，管脚BASE为无连接。C.时钟选择如果将管脚XI接地，HX711将自动选择使用内部时钟振荡器，并自动关闭外部时钟输入和晶振的相关电路。这种情况下，典型输出数据速率为10Hz或80Hz。如果需要准确的输出数据速率，可将外部输入时钟通过一个20pF的隔直电容连接到XI管脚上，或将晶振连接到XI和XO管脚上。这种情况下，芯片内的时钟振荡器电路会自动关闭，晶振时钟或外部输入时钟电路被采用。此时，若晶振频率为11.0592MHz,输出数据速率为准确的10Hz或80Hz。输出数据速率与晶振频率以上述关系按比例增加或减少。使用外部输入时钟时，外部时钟信号不一定需要为方波。可将MCU芯片的晶振输出管脚上的时钟信号通过20pF的隔直电容连接到XI管脚上，作为外部时钟输入。外部时钟输入信号的幅值可低至150mV。D.串口通讯串口通讯线由管脚PD_SCK和DOUT组成，用来输出数据，选择输入通道和增益。当数据输出管脚DOUT为高电平时，表明A/D转换器还未准备好输出数据，此时串口时钟输入信号PD_SCK应为低电平。当DOUT从高电平变低电平后，PD_SCK应输入25至27个不等的时钟脉冲（图二）。其中第一个时钟脉冲的上升沿将读出输出24位数据的最高位（MSB），直至第24个时钟脉冲完成，24位输出数据从最高位至最低位逐位输出完成。第25至27个时钟脉冲用来选择下一次A/D转换的输入通道和增益，参见表3。表3输入通道和增益选择PD_SCK的输入时钟脉冲数不应少于25或多于27，否则会造成串口通讯错误。当A/D转换器的输入通道或增益改变时，A/D转换器需要4个数据输出周期才能稳定。DOUT在4个数据输出周期后才会从高电平变低电平，输出有效数据。图7数据输出时序E.复位和断电当芯片上电时，芯片内的上电自动复位电路会使芯片自动复位。管脚PD_SCK输入用来控制HX711的断电。当PD_SCK为低电平时，芯片处于正常工作状态。图8断电控制时序如果PD_SCK从低电平变高电平并保持在高电平超过60μs，HX711即进入断电状态（图三）。如使用片内稳压电源电路，断电时，外部传感器和片内A/D转换器会被同时断电。当PD_SCK重新回到低电平时，芯片会自动复位后进入正常工作状态。芯片从复位或断电状态进入正常工作状态后，通道A和增益128会被自动选择作为第一次A/D转换的输入通道和增益。随后的输入通道和增益选择由PD_SCK的脉冲数决定，参见串口通讯一节。芯片从复位或断电状态进入正常工作状态后，A/D转换器需要4个数据输出周期才能稳定。DOUT在4个数据输出周期后才会从高电平变低电平，输出有效数据。3.测距模块（1）选型比较目前成熟的测距传感器主要有三种类型：超声波测距传感器、红外线测距传感器和